揭示让人类祖先直立行走的基因

查尔斯·达尔文于1859年在《物种起源》中提出了进化论，但他又花了12年时间才鼓起勇气宣布人类也是进化而来的。

在1871年出版的《人类的由来》中，达尔文提出人类是由猿类演化而来。而人类经历的最深刻变化之一就是变成了直立行走者。

"唯有人类成为了两足动物，"达尔文写道。他宣称，双足行走是人类"最显著的特征之一"。

科学家们现已发现了数百万年前导致这一显著特征形成的关键分子步骤。周三发表在《自然》杂志上的一项研究表明，我们的早期祖先之所以能成为两足动物，是因为古老基因开始发挥新功能。一些基因在人类胚胎的新位置变得活跃，而其他基因则在不同的时间开启和关闭。

科学家们早就认识到，直立行走的关键特征是一块叫做髂骨的骨头。它是骨盆中最大的骨头；当你把手放在臀部时，你感觉到的就是髂骨。

左右髂骨都与脊柱基部融合。每块髂骨环绕腰部至腹部前侧，形成碗状结构。我们行走时使用的许多腿部肌肉都附着在髂骨上。这块骨头还支撑着盆底——当我们站立时，这个肌肉网络就像篮子一样托住我们的内脏器官。

尽管髂骨对日常生活至关重要，但它也可能成为痛苦的来源。髂骨可能因关节炎发炎，年老时变得脆弱（尤其在女性中），并因跌倒而骨折。遗传疾病可能使其变形，导致行走困难。髂骨还构成了产道的大部分——婴儿有时会卡在这里，危及母亲生命。

然而，尽管髂骨对我们如此重要，其发育过程长期是个谜。"这让我感到惊讶，"哈佛大学发育遗传学家特伦斯·卡佩利尼说。"髂骨对我们如何行走和如何分娩都至关重要，但人们对它却知之甚少。"

卡佩利尼和他的同事开始对这块骨头进行深入研究。作为研究的一部分，哈佛大学博士后研究员加亚尼·塞内维拉特尼检查了来自华盛顿大学库藏的人类胎儿组织。塞内维拉特尼创建了人类髂骨在胚胎中发育的三维模型。她还分析了组合形成这块骨头的不同类型细胞，以及这些细胞内开启和关闭的基因。

随后她对小鼠进行了类似实验，解剖它们的胚胎并分析发育中髂骨的细胞。通过比较两个物种，她收集了关于我们自身髂骨如何进化的一些线索。

但小鼠能告诉她的信息有限，因为它们与人类亲缘关系较远。为了更好地了解早期人类继承了哪种髂骨，塞内维拉特尼需要研究灵长类动物。

她联系了美国和欧洲的博物馆，询问是否有灵长类标本。她找到了保存在罐子中的黑猩猩、长臂猿和其他物种的胚胎，并安排博物馆馆长为她进行扫描。

有一次在寻找材料时，她黎明前离开波士顿，驱车前往纽约的美国自然历史博物馆。在那里，她将一箱箱有100年历史的玻璃载片装上车，每片都保存着狐猴胚胎的切片。然后她直接开车回家。

"我担心会被警察拦下，"塞内维拉特尼说。"但这绝对值得。我们确实需要那些材料来完成我们的研究。"

研究人员总共研究了18种不同的灵长类物种。"他们收集了这么多胚胎样本的事实令人印象深刻，"巴黎巴斯德研究所的进化遗传学家卡米耶·贝特洛说，她未参与这项研究。

塞内维拉特尼和她的同事发现，灵长类动物发育髂骨的方式与小鼠非常相似。两根微小的软骨棒在脊柱两侧形成并与脊柱平行。这些棒状结构生长并与脊柱融合，骨细胞取代软骨。

塞内维拉特尼和她的同事认为，人类髂骨是从这个古老蓝图进化而来的。他们预计在人类胚胎中，每块髂骨会开始作为与脊柱平行的软骨棒；最终它会停止朝那个方向生长并向前扩展。

"你瞧，事实并非如此，"卡佩利尼说。"这不是一个逐步的过程。实际上是一个完全的翻转。"

科学家们惊讶地发现，人类髂骨开始时是一根与脊柱垂直的棒状结构；一端指向腹部前方，另一端指向后方。这根软骨棒在生长成髂骨最终形状时保持这种方向。

"这真的让我们震惊，"卡佩利尼说。"在人体中，你找不到任何地方人类完全改变了我们的生长方式。"

同样令人惊讶的是，卡佩利尼和他的同事发现，我们的髂骨使用了与小鼠髂骨细胞中活跃的相同基因网络；它们只是工作方式不同。

在人类胚胎中，髂骨细胞以新模式开启和关闭基因以响应邻近细胞释放的分子。结果就是软骨棒以新方向形成。

贝特洛表示这一假设很有道理。其他研究人员发现，骨骼其他部分的进化是由现有基因的类似变化驱动的。"改变骨头形状的方法并不多，"她说。

卡佩利尼和他的同事认为，这种翻转对双足行走的进化至关重要。它让早期人类祖先能够生长出一种新型骨盆，支撑足够强壮的肌肉以直立行走。

但新研究还表明，髂骨在数百万年后经历了第二次重大变化，当时人类进化出了大脑。科学家发现髂骨从软骨转变为骨骼的速度很慢，比骨骼其他部分落后约15周。"这是一个独特而根本的转变，"卡佩利尼说。

卡佩利尼怀疑这种转变发生在大约一百万年前早期人类大脑扩张时。虽然大脑可能增强了我们祖先的智力，但也带来了新的风险。婴儿的大头可能卡在产道中。自然选择偏爱髂骨上的新曲线，这使人类母亲拥有更圆的产道，使分娩更容易。

卡佩利尼的团队渴望继续研究，以更好地了解骨盆的历史，并了解其在人类中的进化如何使我们易患某些疾病。但在5月，特朗普政府终止了对哈佛大学的数十亿美元资助，包括支持骨盆研究的拨款。当时，卡佩利尼和他的同事只完成了一个五年项目中的两年。

"我们都在想，如果没有失去这笔资金，接下来会发生什么，"卡佩利尼说。

本文原载于《纽约时报》。